Fizyka - Fizyka współczesna 2b
Fizyka atomu i jądra atomowego c.d
Prawa rozpadu promieniotwórczego
Liczba jąder, które ulegają rozpadowi w ciągu jakiegoś czasu Dt jest proporcjonalna do tego czasu oraz do początkowej liczby N jąder w próbce:
DN = - lN Dt.
Współczynnik proporcjonalności nazywa się stałą rozpadu. Jest ona specyficzną własnością każdego pierwiastka promieniotwórczego. Znak minus wskazuje, że w wyniku rozpadów liczba jąder (atomów) tego pierwiastka zmniejsza się. Stosunek DN/Dt nazywa się aktywnością A danego pierwiastka. Określa ona liczbę rozpadów w jednostce czasu.
Liczba jąder danego pierwiastka maleje z czasem w sposób wykładniczy:
N = N0 
Czas, po którym liczba atomów maleje o połowę, nazywa się okresem rozpadu lub czasem połowicznego zaniku T. Jest on równy:
T = 
.
Przykładowe wartości okresów rozpadu podane są w poniższej tabelce (liczba po nazwie pierwiastka to liczba masowa A danego izotopu).
| Fosfor - 32 |
8 . 10-7 sekund |
| Krzem - 31 |
2,6 godz. |
| Jod - 131 |
8 dni |
| Kobalt - 60 |
5,27 lat |
| Cez - 137 |
30 lat |
| Rad - 226 |
1,6 . 103 lat |
| Uran - 238 |
4,5 . 109 lat |
Energia wiązania jądra
Siły przyciągania między składnikami jądra (neutronami i protonami) są nazywane siłami jądrowymi silnymi, które nie sprowadzają się do innych rodzajów sił występujących w przyrodzie.Przejawem ich istnienia jest tzw. energia wiązania jądra, czyli praca, jaka należy wykonać, by rozdzielić jądro na izolowane nukleony. Siły przyciągania powodują, że masa jądra jest mniejsza od sumy mas izolowanych jego składników. Można też powiedzieć, że masa nukleonu w jądrze jest mniejsza od jego masy "na wolności".
Jeśli defekt masy jądra oznaczymy przez DM , to możemy napisać:
DM = M(A,Z) - Z mp - (A - Z) mn ,
gdzie M oznacza masę jądra, mp - masę izolowanego protonu, mn - masę izolowanego neutronu. DM podzielone przez A oznacza średni defekt masy jednego nukleonu. Po pomnożeniu tego wyrażenia przez c2 otrzymamy energie wiązania przypadającą na jeden nukleon:
E1 = 
.
Energia ta zależy od rodzaju jądra, a schematyczny wykres jej zależności od A przedstawiony jest na wykresie.
W przypadku jąder lekkich energia wiązania nukleonu rośnie ze wzrostem liczby nukleonów. Oznacza to, że przy łączeniu jąder lekkich energia jest wydzielana, gdyż - mówiąc obrazowo - na zwiększenie energii wiązania nukleonu "zużyta" zostaje pewna ilość jego masy. Podobnie wydzielanie energii zachodzi podczas rozszczepiania jąder ciężkich.
Reakcje jądrowe
Najważniejszymi reakcjami jądrowymi są reakcje syntezy (fuzji) jądrowej czyli łączenia jąder lekkich, oraz reakcje rozszczepienia. Reakcję syntezy często nazywa się reakcją termojądrowej, gdyż jej zapoczątkowanie i przebieg wiążą się z bardzo wysokimi temperaturami.
Przykłady syntezy jądrowej
+ 
-> 
+ 
+ 4,0 MeV
+ 
-> 
+ 
+ 3,3 MeV,
+ 
-> 
+ 
+ 17,6 MeV.
Przykłady reakcji rozszczepienia
+ 
-> 
+ 
+ 2 
+ 213 MeV,
+ 
-> 
+ 
+ 
4 + 3 
+ 200 MeV.
Energia wydzielana w reakcjach jądrowych związana jest z różnicą mas produktów i substratów reakcji, będącą wynikiem różnic w energii wiązania. Wyraża się ją zwykle w megaelektronowoltach (MeV). Jest to energia, jaką nabywa elektron po przejściu napięcia równego 1 000 000 V. Wynosi ona:
1 MeV = 1,6 . 10-13 J.
Cząstki elementarne
Podstawowymi składnikami materii są trzy rodzaje cząstek: elektrony, protony
neutrony. Na poziomie chemii można do nich ograniczyć pojęcie cząstek elementarnych. Z punktu widzenia fizyki wyróżnia się cztery grupy cząstek elementarnych: fotony, leptony, mezony i bariony. Podstawowe cząstki należące do poszczególnych grup wraz z ich symbolami, masami spoczynkowymi (wyrażonymi w jednostkach energii MeV) oraz ładunkami (względem ładunku elementarnego) zebrane są w poniższej tabelce.
| Grupa |
Cząstka |
Symbol |
Masa |
Ładunek |
| Fotony |
|
|
|
|
|
|
foton |
g |
0 |
0 |
| Leptony |
|
|
|
|
|
|
elektron |
e- |
0,511 |
-1 |
|
|
mion |
m- |
105,7 |
-1 |
|
|
neutrino elektronowe |
ne |
0 |
0 |
|
|
neutrino mionowe |
nm |
0 |
0 |
| Mezony |
|
|
|
|
|
|
piony |
pą |
139,6 |
ą1 |
|
|
|
p0 |
135 |
0 |
|
|
kaony |
Ką |
493,7 |
ą1 |
|
|
|
K0 |
497,7 |
0 |
|
|
mezon eta |
h |
548,8 |
0 |
|
|
mezon eta' |
h' |
957,6 |
0 |
| Bariony |
|
|
|
|
|
|
Nulkleony |
|
|
|
|
|
proton |
p |
938,3 |
1 |
|
|
neutron |
n |
939,6 |
0 |
|
|
Hiperony |
|
|
|
|
|
lambda |
L0 |
1116 |
0 |
|
|
sigma |
S+ |
1189 |
1 |
|
|
|
S0 |
1193 |
0 |
|
|
|
S- |
1197 |
-1 |
|
|
ksi |
X0 |
1315 |
0 |
|
|
|
X- |
1321 |
-1 |
|
|
omega |
W- |
1672 |
-1 |
_____________________
Kwarki
Z kwarków zbudowane są mezony i bariony. Skład najważniejszych cząstek, jakimi są nukleony, jest następujący:
Proton = uud
Neutron = udd
Każdy mezon zbudowany jest z dwóch kwarków, każdy barion - z trzech.
